JP5083751B2

JP5083751B2 - 電気流体力学ポンプ

Info

Publication number: JP5083751B2
Application number: JP2006325678A
Authority: JP
Inventors: 良一花岡; 新三高田; 正深見
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: US20080131293A1; JP2008141870A; US7914262B2

Description

この発明は、電界を作用させることにより解離イオンが生成される液体を、直流高電圧が印加された一対の電極の間を圧送する電気流体力学ポンプに関するもので、特にそのポンプ内の流体流路の構造に関するものである。

古くから使用されてきた機械式ポンプ、すなわち回転羽根あるいは往復動ピストンを用いて流体を送り出すポンプは、羽根やピストンの動きに伴う摩擦熱や振動や摩擦音・振動音が生じ、それらを低減するためのメンテナンスを要することから、機械的ポンプに替わる電気流体力学ポンプ（electro-hydro-dynamics-pump）（「ＥＨＤポンプ」と略す）の実用化に向けた研究開発が進んでおり、特開２００３−２８４３１６号公開特許公報（特許文献１）に示されるようなＥＨＤポンプが提案されている。

特許文献１に示されるＥＨＤポンプの概略構造は図１０に示すようなもので、ポンプケース７０内に、リング状電極７１と、リング状電極７１の内径より小さい外径の柱状電極７２を同軸状で長手方向にずらせて対向させ、その対をなすリング状電極７１と柱状電極７２の間に、電界が作用すると解離イオンが生ずる流体７３（電界が加わると流体中にプラス・イオンとマイナス・イオンが分かれて現われる性質の流体）を充填し、そのリング状電極７１と柱状電極７２の間に電源７４から直流高電圧を印加するものである。そしてリング状電極７１と柱状電極７２の間に直流高電圧が印加されると、リング状電極７１と柱状電極７２の間の電界によって、リング状電極７１および柱状電極７２の近傍にある流体７３に解離イオンが生じ、電極界面にヘテロチャージ層が形成され、その結果、この層内のイオンと電極との間のクーロン力により、流体７３は矢印Ｍ７に示すような流れとなって圧送される。しかし、このような従来のＥＨＤポンプでは、リング状電極７１と柱状電極７２を同軸状で長手方向にずらせて対向させた電極群塊をポンプ内の流体流路中に置いていることから、ポンプ内に形成される流体流路の流路抵抗が大きくなる難点があり、またリング状電極７１と柱状電極７２を同軸状で長手方向にずらせて対向させる構造では、電極配置を構成する製作コストが嵩む難点があった。これらの点を改善するために、例えば特開２００６―１５８１６９号公開特許公報（特許文献２）に示すような電気流体力学ポンプが提案されている。

特許文献２に示される電気流体力学ポンプの概略構造は図１１に示すようなもので、８１は外径aの線状の内側電極、８２はステンレススチール製の円筒状の外側電極で、外側電極８２の内径はｂ、内側長さはＬであり、内側電極８１の要部は外側電極８２の中に露出していて、その露出部分８１aの長さはＬである。また、内側電極８１と外側電極８２は同軸状に配置されている。８３，８４は電気絶縁性の流体送出流路管、８５，８６は流体帰還流路管で、流体送出流路管８３，８４は外側電極８２の中心部で外側電極８２の内部に通じ、流体帰還流路管８５，８６は外側電極８２の周縁部で外側電極８２の内部に通じている。なお、外側電極８２の両端はそれぞれ電気絶縁性の端板８７，８８で封じられている。８９は電界が作用すると解離イオンが生成される流体、９０は直流高圧電源である。そして内側電極８１と外側電極８２の間に直流高電圧を印加すると、内側電極８１と外側電極８２の間に強い電界が形成され、内側電極８１と外側電極８２が同軸電極配置となっているので不平等電界が形成され、特に内側電極８１の表面近傍に強電界が形成されることになる。その結果、解離性イオンとして負イオンが生成されやすい弱導電性流体を用いた場合、内側電極８１に（＋）、外側電極８２に（−）の電位を与えると、「純伝導ポンピング」（特許文献１参照）の機構に基づいて内側電極周囲に形成されたヘテロチャージ層と内側電極との間で、層内イオンの電極表面法線方向に押す力によって、軸中心へ向かう圧力が発生する。この力は露出している内側電極表面全体に及び、ベクトル的に相殺し合いその積分値はゼロになる。しかし、流体送出流路管８３，８４の送出口８３a,８４a付近ではその圧力がなくなる結果、送出口８３ａ，８４ａへ向かう軸方向に新たに圧力差を生じ、これがポンピングの駆動源となるものである。

上記のように、内側電極８１と外側電極８２の間に直流高電圧を印加して内側電極８１の露出部分８１aの表面電界強度が５０〜１００kV/cm程度の高い電界強度になると、円筒状の外側電極２から線状の内側電極１の露出部分１aに向かう強い電界が流体８９に作用し、内側電極露出部分８１aの表面近傍で流体８９に大きな圧力が作用し、内側電極露出部分８１aと流体送出流路管８３，８４の内部を軸方向に沿って流体８９が流動しポンプ機能が生じ、流体送出流路管８３，８４から吐出した流体８９は外部管路を経て流体帰還流路８５，８６からそれぞれ流体帰還孔８５a,８６aに流れ込んで循環する。このような電極構成により、流体８９に対する流路抵抗は大幅に低減するが、有効に利用出来る軸方向の圧力発生域は流体送出流路管近傍の０．７mm程度と狭く、更にポンピング圧力を増やすことは困難である上に、製作工程上必要以上に電極を大き目にとることとなり無駄が多くなる。
特開２００３−２８４３１６号公開特許公報特開２００６―１５８１６９号公開特許公報

この発明は、上記のような従来のＥＨＤポンプにおける難点に鑑み、ポンプ内の流体流路における電極の構成をさらに改良することにより、ＥＨＤポンプの軸方向の圧力発生域を拡張してポンピング圧力を増大させると共に、電極配置構造を簡素化して製作コストを低減させようとするものである。

この課題を解決するために、この発明では、電極として金属テーパー管電極と金属棒電極を用い、その金属テーパー管電極の小径端に内接させて電気絶縁管を装着し、その中心軸上に沿って金属棒電極を挿入し、その金属棒電極を金属テーパー管電極の内側へ伸ばして、その金属棒電極の、金属テーパー管電極の内側から前記電気絶縁管内に至る部分を露出させ、その金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、その金属棒電極の露出部分を金属テーパー管電極の内面と対向させ、両金属電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、金属テーパー管電極と金属棒電極の間に満たし、その金属テーパー管電極と金属棒電極との間に直流高電圧を印加することを特徴とする。

そして実用的に好ましい手段として、金属棒電極において、金属テーパー管電極の小径端から大径側内部へ少なくとも１５mmの点、好ましくは５mmの点から、前記電気絶縁管内の先端部分に至る部分までを露出させ、金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、金属棒電極の露出部分を金属テーパー管電極の内面と対向させ、両金属電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、金属テーパー管電極と金属棒電極の間に満たし、その金属テーパー管電極と金属棒電極との間に直流高電圧を印加するものである。

また金属テーパー管電極では、その開き角θは、０°＜θ≦９０°の範囲でポンピングが得られる。開き角度０°は、テーパーの無い平行管に相当する。この場合、平行管内壁と対向して同軸に挿入された金属棒電極の表面近傍には高電界が形成される結果、その表面全体にヘテロチャージ層が均一に形成されることになり、これによって金属棒電極の軸中心へ向かう圧力が電極表面全体で相殺され、長手方向でも圧力差は生じない。そして、圧力差が現れるのは棒電極両端部の境界部分の軸方向のみとなり、ポンピング能力が著しく低下するので好ましくない。換言すれば、金属テーパー管電極の場合、金属棒電極表面に生ずるヘテロチャージ層によるその圧力は、大径開口部に向かう長手方向に減少する勾配を生ずる。従って長手方向の圧力差が相殺されることなく電気絶縁管（小径）方向に向かうほど高電界となり圧力増大に寄与する。開き角度が９０°ではドーナツ板状電極となるが、重要なことは、ドーナツ板の中心孔に内接して電気絶縁管が挿入され、更にその中心軸に沿って金属棒電極が挿入されている点である。この構造により金属棒電極側からドーナツ板中心孔に向かう流れ（圧力差）が生ずる。金属棒電極がドーナツ板中心孔を貫通しない場合、ドーナツ板と金属棒電極先端部の間に高電界が形成され、この先端部ヘテロチャージ層で発生する流れ（圧力差）は前記した方向と逆方向となる。なお、特公２００４−５０４７９７公表特許公報（Ａ）には、この原理に基づいたポンピング機構が開示されているが、この本発明とは圧力差発生の機構が異なっている点注意が必要である。

以上のように、この発明に係る電気流体力学ポンプの構成では、可動機構がない上にポンプの流路内に、流体の流れ方向に大きな流路抵抗となる電極群を配設しないことから、摩擦音や振動音が生ずることなく大きな圧力ヘッドが得られ、また電極配置構造が極めて単純であることから、製造コストも低く抑えることができる。さらに原理上、従来のポンプのような電磁誘導現象を利用していないので電気的ノイズが一切発生しないという大きな効果がある。したがって、例えば、精密電子回路部品や医療機器等のクーリングユニットとしてこの発明に係る電気流体力学ポンプ利用すれば、その効果を大いに発揮できる。

この発明の望ましい実施形態は、金属テーパー管電極の中心軸に対し開き角θが０°＜θ≦９０°の範囲にある金属テーパー管電極の小径側に内接して電気絶縁管を挿入し、その中心軸上に沿って挿入された金属棒電極の、金属テーパー管電極小径端から大径側内部へ少なくとも１５mmの点、好ましくは５mmの点から電気絶縁管内先端部分に至る部分までを露出させ、その金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆して該金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成すると共に、前記露出部分を金属テーパー管電極の内面と対向させ、両金属電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される２，３―ジヒドロデカフルオロペンテン（2,3-Dihydrodecafluoropenten）（「ＨＦＣ４３−１０」と略す）（商品名：バートレル）を前記金属テーパー管電極と金属棒電極の間に満たし、その金属テーパー管電極と金属棒電極との間に直流高電圧を印加し、その金属棒電極表面近傍で1kV/cm以上100kV/cm以下の電界が得られる電極構造とする。100kV/cm以上の電界を生ずる電極構造ではイオンドラッグポンピングの機構に移行し、流体の流れ方向も純伝導ポンピング機構とは逆になり一段と激しく流動するが、液体の劣化も著しくなるので好ましくない。また、電界が作用すると解離イオンが生成される流体としては前記ＨＦＣ４３−１０に限定されるものではなく、２，２―ジクロロー１，１，１トリフルオロエタン（2,2-Dichloro-1,1,1-Trifluoroethane）（「ＨＣＦＣ１２３」と略す）、ジエチルグリコールモノブチルエーテルアセテート（「ＢＣＲＡ」と略す）、ドデカン二酸―ｎブチル（「ＤＢＤＮ」と略す）、フッ素変成シリコーン油、等、殆どの冷媒が使用出来るが、現段階ではHFC43-10が地球温暖化係数、オゾン層破壊係数の点で最も好ましいと言える。さらに上述した電気流体力学ポンプを少なくとも２個従属接続することや並列接続することはポンピング能力を高め有効である。

以下、本発明の実施例を説明する。図１は、この本発明の実施例を示す電気流体力学ポンプの縦断面図で、図１において、１は金属テーパー管電極で、長さ３０mm、小径部内径１０mmのアルミニウム製のテーパー管である。２は、金属テーパー管電極１の中心軸に沿って挿入した直径１．５mmのステンレス製の金属棒電極の露出部分、３はその金属棒電極の電気絶縁被覆部分である。４は外径６mm、内径４mmのガラス管から成る流体送出流路管で、金属テーパー管電極１の小径側端部６に内接して挿入された外径１０mm、内径６mmのプラスチックスリーブの電気絶縁管５に嵌め込まれている。６は金属テーパー管電極の小径側端部で、電気絶縁管５受け口となっている。７は、電界が作用すると解離イオンが生成される流体が満たされる空間で、流体送出流路でもある。８は流体送出流路管の出口を示している。

図２は、本発明に係る電気流体力学ポンプにおいて、前記の勤続棒電極の露出部分の長さＬ_０とポンピング圧力Ｐ_Ｅの間の関係を示す特性図である。なお、同図中において、Ｌ_０＝―１０mmは図２中で表記されているＬ_０の長さに相当し、Ｌ_０＝３０mmは金属棒電極全体が露出状態であることを示す。同図から金属棒電極への印加電圧Ｖ_０＝＋１６ｋＶ、金属テーパー管電極のテーパーの開き角θ＝６０°、Ｌ_０＝５mmの時、ポンピング圧力Ｐ_Ｅは４．５ｋＰａと最大値を示した。同様の条件で測定した流体送出流路管出口８から噴出する液体ジェットの流速Ｕは図３に示すようにＬ_０＝５mmの時、１．４m/secと最大値が得られた。しかし、金属棒電極全体を露出させるとポンピング圧力、流速とも低下する傾向を示したが、圧力は３０％の低下、流速は２０％の低下にとどまった。さらに同様の条件で測定した電極間に流れる電流変化の様子を図４に示す。Ｌ_０＝５mmの時、約１４μＡに達し、その時の消費電力は２２０ｍＷと見積もられた。また金属棒電極の露出部分の長さを増やすにつれ電流値は漸増した。ところで使用した流体は、２，３−ジヒドロデカフルオロペンテン（2,3-Dihydrodecafluoropenten）（「ＨＦＣ４３-１０」と略す）であったが、この液体に限定されることなく、２，２―ジクロロー１，１，１トリフルオロエタン（2,2-Dichloro-1,1,1-Trifluoroethane）（「ＨＣＦＣ１２３」と略す）、ジエチルグリコールモノブチルエーテルアセテート（「ＢＣＲＡ」と略す）、ドデカン二酸―ｎブチル（「ＤＢＤＮ」と略す）、フッ素変成シリコーン油等に置き換えても同等以上のポンピング特性が得られた。しかし、地球温暖化係数やオゾン層破壊係数を考慮すればＨＦＣ４３-１０の使用が好ましい。

実施例１で使用した金属テーパー管電極の開き角θ＝６０°のほかに０°、４０°および９０°の３種類の電気流体力学ポンプを製作した。ここで４０°、６０°および９０°の場合についてポンピング特性を測定した結果を図５，６に示す。図５には，ポンピング圧力Ｐ_Ｅの印加電圧Ｖ_０依存性を棒電極の絶縁被膜有り、無しについてそれぞれθ依存性も併せて示してある。同図からＬ_０＝５mm（絶縁被膜の有り）と、Ｌ_０＝３０mm（絶縁被膜の無し）では同傾向のポンピング特性を示すが、印加電圧Ｖ_０＝１６ｋＶで絶縁被覆が無い場合、Ｌ_０＝５mmの場合に比し最大ポンピング圧力が約３７％低下した。一方、テーパー管の開き角θ依存性は殆ど見られなかった。同様の測定条件で液体ジェットの流速Ｕの印加電圧Ｖ_０依存性を調べた結果、ＵとＶ_０は図６に見るような直線関係で示されることを除けば図５と同様な傾向となり、テーパー管の開き角θ依存性は殆ど見られなかった。なお、印加電圧Ｖ_０＝１６ｋＶ、Ｌ_０＝５mm（絶縁被膜の有り）のとき流速は１．４m/secが得られた。

更に次の実施例として、図７に当該電気流体力学ポンプを直列に２台組み合わせて駆動した結果について述べる。ポンプの１台あたりの外形寸法は実施例１と基本的に同一とした。ただし、同図に見るようにステンレス製の金属棒電極２aの長さを７５mmと長くとり、２台のポンプを貫通するように架設した。また、流体も前記と同様にＨＦＣ４３−１０（商品名：バートレル）を採用した。金属棒電極に直流電圧＋１６ｋＶを印加し、初段流体送出流路４から噴出した液体ジェットは２段目（図では上段）の高電界発生領域（図中Ｌ_０部分）に供給され、２段目の流体送出流路４から出口８におけるポンピング圧力増大に寄与した。この電極構成で得られた最大ポンピング圧力は約５ｋＰａであった。

実施例３の結果は予想していた２倍のポンピング圧力を下回った。そこで流体流路の抵抗を少しでも低減させるため図８に示すように、長さを延長した流体送出管４’を取り付けた。その結果、最大ポンピング圧力約６ｋＰａが得られた。

また、上記実施例３，４のでは、複合した電気流体力学ポンプの全体として構成に無駄が見られたため、さらに２台の当該電気流体力学ポンプの間を圧縮して、図９に示すように大幅にコンパクト化することに成功した結果、その最大ポンピング圧力約８ｋＰａが得られた。

次の実施例として、当該電気流体力学ポンプを２台並列接続して駆動した結果を見た。１台のポンプの基本構成、外形寸法は実施例１と同じくし、各ポンプを液体槽に沈めて２本の流体送出流路管から噴出した液体はＹ字形継ぎ手を通して合流させ、再び液体槽に戻して循環させて、ポンピング圧力を測定した結果、最大３．５ｋＰａであった。また、１台の流量１０００cc/minから約２倍の１９５０cc/minへ増大し通常の電磁ポンプの負荷特性と類似する傾向を示した。

この発明に係る電気流体力学ポンプは、可動機構が無い上に流体の流れ方向に大きな流路抵抗となる電極群が存在しないことから、摩擦音や振動音が生ずることなく、大きな圧力ヘッドが得られ、また電極配置構造が極めて単純であることから、製造コストも低く抑えることができるので、従来用いられてきた機械式ポンプの幅広い用途に利用することができる。更には、原理上、従来のポンプのような電磁誘導現象を利用していないので電気的ノイズが一切発生せず、例えば、精密電子回路部品や医療機器等のクーリングユニットとして当該電気流体力学ポンプが利用できる。

本発明の一実施例を示す電気流体力学ポンプの縦断面図金属棒電極露出部の長さＬ_０とポンピング圧力Ｐ_Ｅの関係を示す特性図。流体送出流路管出口から噴出する液体ジェットの流速Ｕと金属棒電極露出部の長さＬ_０の関係を示す特性図金属棒電極露出部の長さＬ_０と電流Ｉの関係を示す特性図ポンピング圧力Ｐ_Ｅの印加電圧Ｖ_０依存性を示す特性図液体ジェットの流速Ｕの印加電圧Ｖ_０依存性を示す特性図電気流体力学ポンプを２台直列に接続したポンプ構成図当該電気流体力学ポンプを２台直列に接続したポンプ構成図他の当該電気流体力学ポンプを２台直列に接続したポンプ構成図従来の電気力学ポンプの断面図他の従来の電気力学ポンプの断面図

符号の説明

１：金属テーパー管電極
２：金属棒電極
３：金属棒電極の電気絶縁被覆
４：流体送出流路管
５：電気絶縁管
６：金属テーパー管電極の小径側端部
７：流体送出流路／作動流体充満部分
２，２ａ，２’：金属棒電極の電気絶縁被覆
４，４’：流体送出流路管
Ｌ_０：金属棒電極の電気絶縁被覆端から電気絶縁管に至る金属露出部の長さ
Ｌ_ｐ：金属テーパー管電極の小径側端部長さ
Ｒ_０：金属テーパー管電極の小径側端部の内半径
Ｒ_ｉ：金属棒電極の断面半径
α：金属棒電極中心軸に対する金属テーパー管電極のテーパー開き角
θ：金属テーパー管電極のテーパー開き角
Ｖ_０：金属棒電極への印加電圧

Claims

金属テーパー管電極の小径側に内接して電気絶縁管を挿入し、その中心軸上に沿って挿入された金属棒電極の、前記金属テーパー管電極内から前記電気絶縁管内に至る部分を露出させ、前記金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に前記金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、前記金属棒電極の露出部分を前記金属テーパー管電極の内面と対向させ、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極の間に満たし、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極との間に直流高電圧を印加することを特徴とする電気流体力学ポンプ。
金属テーパー管電極の小径側に内接して電気絶縁管を挿入し、その中心軸上に沿って挿入された金属棒電極の、前記金属テーパー管電極の小径端から大径側内部へ少なくとも１５mmの点から前記電気絶縁管内先端部分に至る部分までを露出させ、前記金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に前記金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、前記金属棒電極の露出部分を前記金属テーパー管電極の内面と対向させ、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極の間に満たし、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極との間に直流高電圧を印加することを特徴とする電気流体力学ポンプ。
金属テーパー管電極の中心軸に対し開き角θが０°＜θ≦９０°の範囲にある金属テーパー管電極の小径側に内接して電気絶縁管を挿入し、その中心軸上に沿って挿入された金属棒電極の前記金属テーパー管電極内から前記電気絶縁管内に至る部分を露出させ、前記金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に前記金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、前記金属棒電極の露出部分を前記金属テーパー管電極の内面と対向させ、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極の間に満たし、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極との間に直流高電圧を印加することを特徴とする電気流体力学ポンプ。
金属テーパー管電極の中心軸に対し開き角θが０°＜θ≦９０°の範囲にある金属テーパー管電極の小径側に内接して電気絶縁管を挿入し、その中心軸上に沿って挿入された金属棒電極の前記金属テーパー管電極の小径端から大径側内部へ少なくとも１５mmの点から前記電気絶縁管内先端部分に至る部分までを露出させ、前記金属棒電極の他端を絶縁被膜で被覆すると共に前記金属テーパー管電極で囲って流体送出流路を形成し、前記金属棒電極の露出部分を前記金属テーパー管電極の内面と対向させ、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極間に電界が作用すると解離イオンが生成される流体を、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極の間に満たし、前記金属テーパー管電極と前記金属棒電極との間に直流高電圧を印加することを特徴とする電気流体力学ポンプ。
流体が２，３−ジヒドロデカフルオロペンテンであることを特徴とする請求項１，２，３または４に記載の電気流体力学ポンプ。
金属テーパー管と金属棒電極に直流高電圧を印加し、その金属棒電極表面近傍で1kV/cm以上100kV/cm以下の電界が得られる電極構造を備えた請求項１，２，３，４，または５に記載の電気流体力学ポンプ。
請求項１，２，３，４，５または６記載の電気流体力学ポンプを更に同軸上に少なくとも２個縦続配設することを特徴とする電気流体力学ポンプ。
請求項１，２，３，４，５または６記載の電気流体力学ポンプを更に少なくとも２個並列配設することを特徴とする電気流体力学ポンプ。